蘇翠云　蘇兩河 /福建電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院

淺談變頻調(diào)速技術(shù)在泵與風(fēng)機(jī)應(yīng)用的節(jié)能效果

蘇翠云蘇兩河 /福建電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院

文章簡(jiǎn)述了變頻調(diào)速技術(shù)工作原理，詳細(xì)介紹了變頻調(diào)速技術(shù)的節(jié)能原理，并通過(guò)變頻技術(shù)在供水泵的具體應(yīng)用，說(shuō)明了變頻技術(shù)具有較好節(jié)能的效果。

變頻；水泵；電動(dòng)機(jī)；調(diào)速節(jié)能

能源是全人類(lèi)賴(lài)以生存的基本條件，我國(guó)是能源消費(fèi)大國(guó)，能源供需缺口較大，要保證國(guó)民經(jīng)濟(jì)長(zhǎng)期、持續(xù)、穩(wěn)定發(fā)展，必須堅(jiān)持“開(kāi)發(fā)與節(jié)約并重，節(jié)約放在優(yōu)先”的方針，大力發(fā)展節(jié)能技術(shù)。隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了對(duì)交流電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)最好的調(diào)速方法，就是變頻調(diào)速。變頻調(diào)速技術(shù)，具有調(diào)速范圍廣、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、運(yùn)行效率高、功率因數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)，充分提高了設(shè)備的利用率，有著顯著的節(jié)能效果。在我國(guó)多種行業(yè)的電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)設(shè)備中得到實(shí)際應(yīng)用。

1.變頻調(diào)速技術(shù)

什么叫變頻調(diào)速技術(shù)，根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速公式n =60f（1-s）/p，從式中可知，當(dāng)轉(zhuǎn)差率s變化不大時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n基本與電源頻率f成正比。變頻調(diào)速技術(shù)就是連續(xù)調(diào)節(jié)電源頻率，以達(dá)到平滑改變電動(dòng)機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速的技術(shù)。要實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速，必須有能夠同時(shí)改變電壓大小和頻率的供電電源。這種裝置一般簡(jiǎn)稱(chēng)為變頻器，變頻器主要有交—直—交和交—交兩類(lèi)。目前用的比較多的是交—直—交。它是先將工頻電源通過(guò)整流器變成直流，而后再經(jīng)逆變器將直流變?yōu)榭煽仡l率的交流。交—直—交變頻器主要由整流器（電網(wǎng)側(cè)把交流電變?yōu)楣潭ɑ蚩烧{(diào)的直流電）、濾波回路（中間直流環(huán)節(jié)）、逆變器（負(fù)載側(cè)把直流電變?yōu)楣潭ɑ蚩烧{(diào)的交流電）、制動(dòng)單元、驅(qū)動(dòng)單元、檢測(cè)單元、微處理單元等組成。為了使輸出電壓大小和輸出頻率都得到控制。通常采用PWM型逆變器。PWM控制方式就是通過(guò)改變脈沖寬度來(lái)改變電壓大小，變壓的同時(shí)改變頻率。這種變頻調(diào)速方法由于調(diào)節(jié)同步轉(zhuǎn)速n0 ，故可以在變速時(shí)保持有限的轉(zhuǎn)差率，效率高、調(diào)速范圍大，能夠使電動(dòng)機(jī)平穩(wěn)的運(yùn)行。

2.變頻節(jié)能分析

2.1變頻調(diào)速節(jié)能

變頻調(diào)速節(jié)能運(yùn)行主要是從泵、風(fēng)機(jī)類(lèi)機(jī)械開(kāi)始的，根據(jù)泵、風(fēng)機(jī)類(lèi)機(jī)械的負(fù)載特性，它的最大特點(diǎn)是負(fù)載矩轉(zhuǎn)與轉(zhuǎn)速的平方成正比。再根據(jù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)公式T=P/Ω（式中T為轉(zhuǎn)矩，P為功率，Ω為角速度）。因此，泵、風(fēng)機(jī)的功率與轉(zhuǎn)速的立法成正比。將過(guò)去通常采用電動(dòng)機(jī)以固定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，而用擋板、閥門(mén)調(diào)節(jié)風(fēng)、水量的方法，改為根據(jù)所需要的水流量調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。由于水流量正比于轉(zhuǎn)速，所以，當(dāng)水流量下降時(shí)，轉(zhuǎn)速就應(yīng)成比例下降，需要的功率也就成立方關(guān)系下降，由此可見(jiàn)降低電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可得到立方級(jí)的節(jié)能效果。

2.2最佳工作節(jié)能

采用U/f 控制方式的變頻器在輸出某一頻率，負(fù)載一定時(shí)，存在著一個(gè)最佳工作點(diǎn)。負(fù)載變化時(shí)，最佳工作點(diǎn)也轉(zhuǎn)移。變頻器可迅速適應(yīng)負(fù)載變動(dòng)，自動(dòng)搜索最佳工作點(diǎn)，使電動(dòng)機(jī)總是在最佳工作點(diǎn)上運(yùn)行，達(dá)到節(jié)能效果。

2.3軟啟動(dòng)節(jié)能

異步電動(dòng)機(jī)在額定頻率和額定電壓下直接啟動(dòng)時(shí)，要從電網(wǎng)吸收4～7倍的電動(dòng)機(jī)額定電流，這么大的啟動(dòng)電流，不僅造成線(xiàn)路電壓降增大，同時(shí)也增加了線(xiàn)損和銅損，以及對(duì)傳動(dòng)機(jī)械帶來(lái)破壞性沖擊力等問(wèn)題。利用變頻器軟啟動(dòng)的功能，使電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程，頻率可以從很低開(kāi)始，電壓按一定規(guī)律上升，這樣可以有效地將啟動(dòng)電流限制在一定范圍內(nèi)。啟動(dòng)電流的下降，減小了線(xiàn)路電壓降，避免了對(duì)電網(wǎng)的沖擊；同時(shí)也減小了線(xiàn)損和銅損，節(jié)約了電能；以及減少了啟動(dòng)慣性對(duì)傳動(dòng)機(jī)械的破壞性沖擊，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。

2.4無(wú)功補(bǔ)償節(jié)能

異步電動(dòng)機(jī)在把電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的過(guò)程，需要從電網(wǎng)吸收一定的感性無(wú)功功率。無(wú)功功率的存在，不僅使電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)了鐵心損耗，引起電動(dòng)機(jī)發(fā)熱；同時(shí)使功率因數(shù)降低，造成了大量無(wú)功電能在線(xiàn)路中消耗掉，導(dǎo)致設(shè)備的使用效率降低。使用了變頻器后，由于變頻器內(nèi)部的中間直流環(huán)節(jié)有大電容存在，對(duì)電路起到無(wú)功補(bǔ)償?shù)淖饔茫瑥亩篃o(wú)功功率得到減少，提高了功率因數(shù)，降低了損耗，提高了效率。

3.案例

泵、風(fēng)機(jī)的節(jié)能原理就是用調(diào)速控制代替節(jié)流閥或擋風(fēng)板控制流量，下面通過(guò)在泉州濱江花園城F區(qū)生活小區(qū)供水泵上安裝變頻器為例子，對(duì)比改造前后的用電情況，來(lái)說(shuō)明變頻調(diào)速技術(shù)在泵與風(fēng)機(jī)應(yīng)用中的節(jié)能效果。供水改造前，用三臺(tái)7.5KW水泵電動(dòng)機(jī)恒速供水，現(xiàn)改造為變頻恒壓供水系統(tǒng)，采用三菱FRA540通用變頻器（變頻器內(nèi)置PID控制功能）驅(qū)動(dòng)3臺(tái)7.5KW水泵電動(dòng)機(jī)，作循環(huán)方式運(yùn)行。當(dāng)供水壓力低于設(shè)定壓力，變頻器將頻率升高，反之則降低。

3.1改造前的情況

改造前在供水泵的工作中，采用異步電動(dòng)機(jī)恒速傳動(dòng)的方案運(yùn)行，當(dāng)用水量需要改變時(shí)，就要調(diào)節(jié)供水泵出口或入口的閥門(mén)開(kāi)度。為了保證最大供水的需求，電動(dòng)機(jī)的容量選擇時(shí)，一般都留有一定的富余量，通常電動(dòng)機(jī)在70％～100％負(fù)載時(shí)效率最高。當(dāng)電動(dòng)機(jī)不能在滿(mǎn)負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)，除達(dá)到動(dòng)力驅(qū)動(dòng)要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成電動(dòng)機(jī)效率降低，同時(shí)大量的能源消耗在閥門(mén)的截流過(guò)程中。所以采用交流電動(dòng)機(jī)恒速傳動(dòng)的方案運(yùn)行，靠閥門(mén)調(diào)節(jié)水量的泵類(lèi)設(shè)備，使用效率較低，造成大量的能源浪費(fèi)。

3.2改造后的情況

改造后在供水泵的工作中，當(dāng)用水量需要改變時(shí)，入口或出口的閥門(mén)都完全打開(kāi)，通過(guò)傳感器檢測(cè)出口水量，再根據(jù)水量調(diào)節(jié)器的信號(hào)用變頻器對(duì)供水泵的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而尋找到合適的、新的工作點(diǎn)，得到合適的水量，達(dá)到節(jié)能的目的。下表為供水改造后的用電情況，一臺(tái)供水泵電動(dòng)機(jī)額定功率為7.5千瓦。

電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速電動(dòng)機(jī)功率功率占比4/5額定轉(zhuǎn)速3.84千瓦51.2％ 3/4額定轉(zhuǎn)速3.16千瓦42.1％ 1/2額定轉(zhuǎn)速0.94 12.5％

通過(guò)改造前后用電量對(duì)比，實(shí)踐表明用變頻調(diào)速來(lái)實(shí)現(xiàn)恒壓供水，與用調(diào)節(jié)閥來(lái)實(shí)現(xiàn)恒壓供水相比較，取得了顯著的節(jié)能效果。

4.小結(jié)

采用變頻調(diào)速技術(shù)使得電動(dòng)機(jī)及其拖動(dòng)負(fù)載在無(wú)需任何改動(dòng)的情況下即可按照生產(chǎn)工藝要求調(diào)整轉(zhuǎn)速輸出，降低了損耗，節(jié)約了能源，是我國(guó)重點(diǎn)推廣的一項(xiàng)節(jié)能技術(shù)。變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用，就是要認(rèn)真分析，結(jié)合工藝要求，選用合適的變頻器，對(duì)原有設(shè)備進(jìn)行改造，以達(dá)到節(jié)能的效果，從而提高效率。

[1]劉美俊《變頻器應(yīng)用與維護(hù)技術(shù)》中國(guó)電力出版社第1版2008.1.

[2]吳金星《工業(yè)節(jié)能技術(shù)》機(jī)械工業(yè)出版社2014.

[3]廖為明 張文鋼《泵與風(fēng)機(jī)的節(jié)能技術(shù)》上海交通大學(xué)出版社2013.8.